(57)【要約】  動物の自発的な行動に伴う運動エネルギーを用いて発電を行うことの可能な発電装置を提供する。動物が自発的に動かす部位（例えば口）の変位を、電気エネルギーに変換する機械電気変換機構を備える。例えば、機械電気変換機構は、部位の変位をラックとギアの組み合わせによって回転に変換し、ダイナモあるいはオルタネータのロータを回転させる構成を有することができる。
2011129121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動物を動力として発電する発電装置であって、
動物が自発的に動かす部位の変位を電気エネルギーに変換する機械電気変換機構と、
前記機械電気変換機構が変換した電気エネルギーを蓄積する蓄積手段と、
を有することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記機械電気変換機構が、前記変位によりロータが回転するダイナモあるいはオルタネータを有することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記機械電気変換機構が、
前記変位により端部が移動して径が変化する輪状の本体であって、外周面にラックが形成された本体と、
前記本体の径の変化による前記ラックの移動によって回転し、前記ダイナモあるいはオルタネータのロータを回転させるギアと、
を有することを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記機械電気変換機構が、
前記変位により端部が移動して径が変化する輪状の本体と、
一端が前記ダイナモあるいはオルタネータのロータを回転させる部材に巻き付けられたワイヤと、
前記本体の径の増大によって前記ワイヤを引き出す引き出し手段と、
前記引き出し手段により引き出された前記ワイヤを前記部材に巻き戻す復元手段とを有し、
前記引き出し手段が、
前記ワイヤの他端を、前記端部を挟んで前記部材と対向する前記本体の外周面上に固定する手段、もしくは
前記端部を挟んで前記部材と対向する前記本体の外周面上に設けられたワイヤガイドと、前記ワイヤの他端を、前記ワイヤガイドの外周面に沿って折り返し、前記端部を挟んで前記ワイヤガイドと対向する前記本体の外周面上に固定する手段と、
を有することを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項５】
前記輪状の本体が前記動物の口輪として形成され、前記動物の口の運動に伴う口の変位により前記端部が移動して前記径が変化することを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項６】
前記機械電気変換機構が、
前記動物の固定位置に取り付けられるダイナモあるいはオルタネータと、
一端を前記部位に接続され、他端が前記ダイナモあるいはオルタネータのロータを回転させる部材に巻き付けられたワイヤと、
前記部材から引き出された前記ワイヤを前記部材に巻き戻す復元手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項７】
前記機械電気変換機構が、前記変位により直接的又は間接的に変形する圧電素子を有することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項８】
前記変位によって端部が移動して径が変化する輪状の本体であって、外周面にラックが形成された本体と、
前記本体の径の変化による前記ラックの移動によって回転するギアとを有し、
前記圧電素子が片持ち梁に形成され、前記ギアが前記回転に伴って前記圧電素子の可動端を間欠的に撓ませることを特徴とする請求項７記載の発電装置。
【請求項９】
前記変位によって変形する輪状の本体と、
前記圧電素子が、その両端部を前記本体の外周面に取り付けられ、前記本体の変形に応じて変形することを特徴とする請求項７記載の発電装置。
【請求項１０】
前記蓄積手段が蓄積した電気エネルギーを外部に出力するための給電手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の発電装置と、
前記給電手段から前記電気エネルギーを受信する受電手段と、
前記受電手段が受信した電気エネルギーを蓄積する集電手段と、
を有することを特徴とする集電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電装置および集電システムに関し、特には動物を動力として発電する発電装置と、この発電装置で発電した電気を収集する集電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２削減の一手段として、自然エネルギーを利用した発電装置に対する関心が一層高まっている。自然エネルギーを利用した発電装置としては、太陽光発電装置、風力発電装置、地熱発電装置、潮力発電装置などが知られているが、比較的大規模な装置を必要とするものが多い。一方で、環境発電もしくはパワーハーベスティングと呼ばれる、人間の運動や車の移動による振動、排熱など、環境に存在するエネルギーを用いた発電方法を実現した発電装置が注目されている。例えば、特許文献１には、音の振動エネルギーで圧電素子を駆動して発電する発電装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６６６９４号公報
【特許文献２】特開２００８−２３２１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような、環境に存在するエネルギーとして、動物、特に家畜の運動に伴うエネルギーを利用することが考えられる。しかし、従来は、家畜を動力として利用する発電装置としては、発電機の回転軸を回転させる機構を家畜に取り付け、家畜を強制的に歩かせるなどして回転軸を回転させるといった、動力源としてのみ家畜を利用するための装置が提案されているに過ぎなかった（特許文献２）。【０００５】
特許文献２で提案されているような発電装置は、家畜の自然な運動を利用するのではなく、田畑を耕すために牛馬に鋤を引かせたり、荷車を引かせたりすることと同様、ある目的を達成するために、特定の個体に特定の動作を強いるものである。このような、特定の個体に対して特定の運動を行わせる方法では、例えば農場で放牧されている牛が自発的に（自然に）行う採食行動などの行為に伴う運動エネルギーを利用することができない。【０００６】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、動物の自発的な行動に伴う運動エネルギーを用いて発電を行うことの可能な発電装置を提供する。また、本発明は、本発明に係る発電装置で発電した電気を収集する集電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の一見地によれば、動物を動力として発電する発電装置であって、動物が自発的に動かす部位の変位を電気エネルギーに変換する機械電気変換機構と、機械電気変換機構が変換した電気エネルギーを蓄積する蓄積手段と、を有することを特徴とする発電装置が提供される。【０００８】
また、本発明の別の見地によれば、蓄積手段が蓄積した電気エネルギーを外部に出力するための給電手段をさらに有する本発明の発電装置と、給電手段から電気エネルギーを受信する受電手段と、受電手段が受信した電気エネルギーを蓄積する集電手段と、を有することを特徴とする集電システムが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
このような構成により、本発明によれば、動物の自然な行動に伴う運動エネルギーを用いた発電が可能な発電装置を実現することができる。【００１０】
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る発電装置の機構を口輪に適用した場合の構成例を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す口輪１００を牛に取り付けた状態を模式的に示す図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示す口輪１００を牛に取り付けた状態を模式的に示す図である。
【図２Ａ】図１Ａの口輪１００を上方から見た構成例を示す図である。
【図２Ｂ】発電モジュール４０の機能構成例を示すブロック図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態に係る発電装置から集電する集電システムにおける電力授受に関する構成例を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る発電装置から集電する集電システムにおける電力授受に関する構成例を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る発電装置の変形例を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態に係る発電装置の別の変形例を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る発電装置の別の変形例を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第２の実施形態に係る発電装置の機構を口輪に適用した場合の構成例を模式的に示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａの変形例を模式的に示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｂの構成において圧電素子が変形する様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適かつ例示的な実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態においては、本発明に係る発電装置を好適に適用可能な動物の一例としての牛に関して説明するが、本発明に係る発電装置を適用可能な動物は牛に限定されない。原理的には、採食時の口の運動や首の上下運動、呼吸運動などを自然な行動において行う任意の動物に対して適用可能である。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る発電装置の機構を口輪に適用した場合の構成例を模式的に示す図である。
本発明に係る発電装置は、発電機として機械電気変換機構を用いるが、本実施形態では機械電気変換機構としてダイナモあるいはオルタネータを利用して発電する。また、動物が自発的に行う運動の一例としての採食時（反芻時を含む）の口の運動に伴う、口の変位を用いてダイナモあるいはオルタネータのロータを回転させて発電を行う。ただし、動物が自発的に行う運動としては、採食時の口の運動に限らず、採食時の首の運動、移動に伴う足の運動、呼吸時の腹部や胸部の運動など、自発的に行う任意の運動であってよい。
【００１４】
なお、本明細書において機械電気変換機構とは、動物の部位の移動、回転といった機械的な変位を電気エネルギーに変換することの可能な機構を意味する。本実施形態では、口の運動に伴う口（あご）の変位により、ダイナモあるいはオルタネータのロータを回転させ、回転量に応じた電気エネルギーを発生させる。
【００１５】
図１Ａにおいて、口輪１００は、弾性を有する短冊状の材料、例えば金属を輪状に成型した本体１０を有する。本体１０は端部１０ａ及び１０ｂが相対的に移動可能に、また一部重複するように構成されている。端部１０ａ及び１０ｂは重複部分が増減する方向に相対的に移動可能であり、ストッパ１２およびガイド１５（図２Ａ参照）は、端部１０ａ及び１０ｂの相対的な移動方向と範囲を制限するために設けられている。また、端部１０ｂの外周面にはラック１１が形成されている。
【００１６】
ギア２０は平歯車又はピニオンギアであり、ラック１１とかみ合うように構成されている。ギア２０の軸２１は端部１０ｂの移動によって回転するように任意の位置に取り付けられる。ギア２０の軸２１は図示しない発電モジュールに含まれる発電機の回転軸を回転させる動力を与える。軸２１が発電機の回転軸そのものであってもよいし、軸２１の回転を増速または減速するための他のギアを介して発電機の回転軸に動力を与えてもよい。
【００１７】
復元機構３０は本体１０の外周面上であって、本体１０の径が最小となった場合でも重複部分とならない、かつストッパ１２を挟んでギア２０と対向する位置に設けられている。復元機構３０は、牛が口を開けることにより押し広げられた本体１０の径を元に戻す（小さくする）ために、端部１０ｂを復元機構３０側（図中矢印Ｂ方向）に付勢する機構である。
【００１８】
本実施形態において復元機構３０は、一端が本体の端部１０ｂの先端１３に接続されたワイヤ３１の他端を、図示しない渦巻バネの力で矢印Ｂの方向に付勢する。復元機構３０は所謂スプリング式オートリールのように、ワイヤ３１の他端が巻き付けられた回転部材を備え、回転部材の回転軸が渦巻バネによって付勢される構成を有することができる。従って、本体１０が牛の口によって押し広げられる力によって渦巻バネが巻締められ、牛の口が閉じて本体１０を押し広げる力がなくなると、渦巻バネの復元力により回転部材がワイヤ３１を巻き取るように回転し、端部１０ｂを矢印Ｂの方向へ引き戻す。
【００１９】
口輪１００を動物、ここでは牛に取り付ける場合、咀嚼時に口を開く力が口輪１００の本体１０を押し広げるように（本体１０の径が増加するように）、牛の鼻先を中空部５から出して取り付ける。また、専ら端部１０ｂの移動により口輪１００の径が増加するよう、端部１０ａを他のハーネスに固定するなどして、端部１０ａを牛の口の周りの所定位置に固定することが好ましい。なお、口輪１００が閉じた状態（径が最小の状態）において、牛の口周りを必要以上に締め付けないように本体１０の径を調整することが好ましい。
【００２０】
図１Ｂ及び図１Ｃに、口輪１００を牛に取り付けた状態を模式的に示す。図１Ｂは口が閉じた状態、図１Ｃは口が開いた状態をそれぞれ示している。
【００２１】
図２Ａは、口輪１００を上方から見た状態を模式的に示している。図２Ａの状態は、口輪１００の径が最大になった状態である。上述の通り、口輪１００の端部１０ａ及び１０ｂの相対的な移動可能方向と範囲は、ストッパ１２とガイド１５によって制限されている。ガイド１５は端部１０ｂに設けられた溝であり、ストッパ１２はガイド１５を貫通して端部１０ａに固定されている。ストッパ１２は水平断面がガイド１５の幅（図面左右方向の長さ）に近い径を有する円筒形状を有し、ガイド１５に沿って移動可能である。点線で示した位置が、口輪１００の最小径の状態に相当する。
【００２２】
ガイド１５の長さは、口輪１００を取り付ける動物の採食時における口の動きに応じて決定することが好ましい。ガイド１５の長さが短すぎると、動物の採食行動を妨げることになるので、少なくともガイド１５の長さは、口輪を取り付ける動物の採食行動時の口の周囲長の最大変化量以上であることが好ましい。
【００２３】
牛の採食時の口周りの長さの変化を測定したところ、約３〜５ｃｍであったため、牛に取り付ける口輪１００の場合、ガイド１５の長さは少なくも５ｃｍであることが好ましい。もちろんこれは一例であり、ガイド１５の長さを限定する意図はない。
【００２４】
ギア２０の軸２１には、発電モジュール４０が接続されている。発電モジュール４０は、例えば図２Ａに示すように、端部１０ａの外周面の一部を側方に拡張して配置してもよいし、他の場所に配置してもよい。例えば、ギア２０の上方に配置してもよい。この場合、発電モジュール４０のケースにギア２０が取り付けられるようにし、ギア２０の軸２１の動力を他のギアを介して発電機に伝達するように構成すればよい。発電モジュール４０の配置位置によらず、実際にはギア２０、発電モジュール４０およびラック１１の部分は耐候性を有するカバーで覆うことが好ましい。
【００２５】
図２Ｂに示すように、発電モジュール４０は、発電機４２と、整流回路４４と、蓄電回路４６とを有している。上述のように、本実施形態では発電機４２としてダイナモ（ＤＣ出力）あるいはオルタネータ（３相交流出力）を用いるが、発電効率の点からオルタネータを用いることが好ましい。なお、本実施形態においては、市販の所謂手回し発電機に用いられるような小型のオルタネータを好適に用いることができる。
【００２６】
整流回路４４は、発電機４２が出力する電圧を整流して同極性の直流電圧を出力する回路である。公知の全波整流回路を用いることができる。また、整流回路４４は、レギュレータや平滑回路を有していてもよい。
【００２７】
蓄電回路４６は、整流回路４４の出力する直流電圧を電荷として蓄積する回路である。蓄電回路４６としては、二次電池やキャパシタを用いることができるが、例えば電気二重層キャパシタのように容量の大きなキャパシタを好適に使用することができる。
【００２８】
牛が、閉じた口を開け始めると、口輪１００には、内側（中空部５）から上下方向に押し広げる力が加わる。これにより、可動部である端部１０ａ及び１０ｂが相対的に移動して口輪１００の径を大きくする。端部１０ｂが移動する際、ラック１１が図１Ａの矢印Ａ方向に移動し、ギア２０を矢印Ａ’の方向に回転させる。これにより、発電モジュール４０内の発電機４２が発電し、蓄電回路４６に蓄電される。端部１０ｂの移動量が大きくほどギア２０の回転量、すなわち発電量が増加するため、上述のように端部１０ａが移動しないように口輪１００を取り付けることが好ましい。また、口輪１００の径を拡大させる力は同時に、復元機構３０に含まれる渦巻バネを巻締める。
【００２９】
口輪１００の径の拡大は、牛が口を開けきるか、ストッパ１２で制限された拡大量に達した時点で止まる。そして、牛が口を閉じ始めると、口輪１００の径を増加させる力が加わらなくなり、復元機構３０の渦巻バネがワイヤ３１を巻き戻す力が、口輪１００の径を元に戻し始める（減少させ始める）。端部１０ｂがワイヤ３１により矢印Ｂの方向に引き戻される際に、ラック１１がギア２０を矢印Ｂ’の方向（径の増大時とは逆方向）に回転させる。これにより、発電モジュール４０内の発電機４２が発電し、蓄電回路４６に蓄電される。
【００３０】
このように、口輪１００の径が増加する場合と減少する場合の両方において、ラック１１によりギア２０を回転させるので、効率よく発電することができる。例えば牛のような反芻動物の場合、咀嚼回数は一日あたり数万回に上るため、１回あたりの発電量が小さくても、十分な蓄電効果が期待できる。
【００３１】
また、牛の場合、反芻はおおむね１回／秒の頻度であるため、消費電力が１回の反芻の発電量未満の回路であれば継続して動作させることが可能である。例えば、２Ｖ程度の動作電圧で、平均２〜３ｍＡ（４〜６ｍＷ）の消費電力で動作するＩＥＥＥ８０２．１５．４(PAN)の無線モジュールなどは、十分に動作させることが可能である。そのため、本実施形態の発電装置を、牛の状態を遠隔的に監視するために牛に取り付ける発振器などの電力供給に用いることで、従来必要だった電池交換の作業が不要になるほか、電池切れにより情報取得が不能になるといった問題を解決することが可能になる。
【００３２】
また、蓄電回路４６に蓄積された電荷を、特定の場所で収集するようにして、集電システムを構築してもよい。例えば放牧されている牛に発電装置を取り付けた場合、牛舎や水飲み場のように牛が集まる場所に電力収集装置を設け、牛舎に戻ってきた牛の発電装置の蓄電回路４６から電荷を取り出してより大容量の蓄電回路に蓄電するようにしてもよい。この場合、蓄電回路４６には電荷を外部から読み出すための端子などを設ける。
【００３３】
図３Ａ及び図３Ｂは、このような集電システムにおいて、電力収集をえさ場や水飲み場で行う場合の電力授受に関する構成例を模式的に示す図である。図３Ａに示すように、水桶や飼い葉桶などの縁に集電機構の受電電極５０５を配置し、牛の首輪の下部に設けた給電電極５０１が、牛が首を下げた際に受電電極５０５と導通する仕組みである。給電電極５０１には蓄電回路４６が配線５０２を通じて接続されており、給電電極５０１と受電電極５０５とが導通すると、蓄電回路４６に蓄積された電荷が給電電極５０１および受電電極５０５を通じて集電部５０３へ供給される。集電部５０３には例えば複数の受電電極５０５が接続されており、各受電電極５０５から供給された電荷を例えば大容量のキャパシタに蓄えたり、二次電池の充電に用いたり、他の機器の電源として用いたりすることができる。集電部５０３の構成は収集した電荷の用途に応じて適宜定めることができ、また任意かつ周知の構成を利用可能であるため、詳細な説明は省略する。
【００３４】
図３Ｂは、給電電極５０１及び受電電極５０５の構成例を模式的に示す図である。ここでは、給電電極５０１と受電電極５０５とが磁力で接着した際に、各電極に設けられた端子が接触して導通する構成を有する例を示す。矩形状の給電電極５０１は対向する２辺の端部に１組の磁石５０１１および５０１２を有する。また、給電電極５０１の略中央には１組の板状の給電端子５０１３および５０１４が設けられ、蓄電回路４６と接続されている。
【００３５】
受電電極５０５も給電電極５０１と類似の構成を有し、１組の磁石５０５１および５０５２と１組の受電端子５０５３および５０５４を備える。受電端子５０５３および５０５４は集電部５０３と接続されている。受電端子５０５３および５０５４は、多少の位置ずれがあっても給電端子５０１３および５０１４と接触できるよう、幅の広い形状を有している。
【００３６】
牛が桶の中の水や飼い葉を口にするために首を下げると、首輪の下部に下向きに設けられた給電電極５０１が、桶の縁上に設けられた受電電極５０５に接近し、磁石５０１１と５０５１、５０１２と５０５２とが磁力で接着する。これにより、給電端子５０１３および５０１４が受電端子５０５３および５０５４と接触し、蓄電回路４６から集電部５０３へ電荷が供給される。なお、牛が首を下げた際に、給電電極５０１と受電電極５０５とが正しく接着するよう、桶の縁に仕切を設け、牛が首を下げることのできる位置を限定するように桶を構成することもできる。
【００３７】
なお、図３Ａ及び図３Ｂに示す構成は給電側、集電側とも一例であり、電力の送受信に用いられている一般的な構成を用いることが可能である。例えば、携帯電子機器や電気シェーバーなどで用いられている、電磁誘導や電磁共鳴を利用した非接触の給電／受電回路を用いてもよい。この場合、給電側回路は蓄電回路４６の電力を用いて動作することが可能であるが、消費電力を低減するため、受電回路と電力搬送が可能な距離まで近接した状態で動作を開始するように構成することが好ましい。受電回路との近接を検出するための構成はやはり消費電力を抑える観点から機械式であることが好ましく、近接時に押下されてＯＮとなる物理的なスイッチや、近接時に磁力によってＯＮするスイッチなどを利用することができる。
【００３８】
また、ここでは牛が首を下げる状況で集電するために首輪に給電電極５０１を設けたが、特定の場所において牛の特定部位の位置が限定できる場合、その特定部位に給電電極を設け、対向する位置に受電電極を設けることができる。
【００３９】
なお、蓄電回路４６の出力電圧がある程度に達するまでは電力供給が安定せず、またギア２０を回転させるためのトルクも大きいため、蓄電回路４６にある程度蓄電した状態から使用開始することが望ましい場合もある。
【００４０】
（変形例１）
図４は、本実施形態の変形例の１つに係る発電装置２００を模式的に示す図である。本変形例は、採食時の口の動きに伴うエネルギーではなく、採食時の首の動きに伴うエネルギーを利用して発電を行うものである。
【００４１】
発電モジュール４０の構成は共通で良い。発電モジュール４０内の発電機４２のロータを回転させるための機構が、ギア２０とラック１１の組み合わせではなく、略円筒状の回転部材２５と、回転部材２５の外周に巻き付けたワイヤ２３であること、復元機構３０が回転部材２５の軸２２を直接巻き戻すことが上述の構成と異なる。
【００４２】
本変形例では、発電装置２００を例えば牛の背中などの固定位置にハーネス等により取り付け、ワイヤ２３の端部を移動部位である首に首輪５０等により取り付ける。牛が採食のために移動し、首を下げると、その力でワイヤ２３が矢印方向に引っ張られ、ワイヤ２３が巻き付けられた回転部材２５が回転する。
【００４３】
回転部材２５の軸２２の一方は発電モジュール４０内の発電機４２のロータ（図示せず）を回転させ、軸２２の他方は復元機構３０内の図示しない渦巻バネを巻締める。首の上下運動は反芻動作のようには多くないが、首の上下運動によるワイヤ２３の移動量は大きいので、１回の動作での発電量が大きくなる。また、首の上下運動による力は反芻の力よりも大きいので、発電機４２として用いるダイナモあるいはオルタネータ（並びに蓄電回路４６）を、より多くのトルクが必要なやや大型のものとしてもよい。それにより、発電量をさらに大きくすることが可能となる。ただし、復元機構３０によりワイヤ２３を巻き取る際に必要なトルクも大きくなるので、必要に応じて復元機構３０が有する渦巻バネをより力の強いものに変更するなどの対策を考慮する。
【００４４】
牛が首を持ち上がるとワイヤ２３を引き出す方向の力がかからなくなり、復元機構３０が有する渦巻バネによって回転部材２５の軸２２が回転し、ワイヤ２３を巻き取る。この際にも軸２２の回転により発電機４２のロータが回転し、発電が行われる。
【００４５】
なお、この変形例に係る構成は、ワイヤ２３を引き出す方向の力を取り出せればよいため、背中と首の組み合わせに限らず、尻尾と背中など、任意の可動部位にワイヤ２３の先端をとりつけ、任意の固定部位に発電装置２００を取り付けることが可能である。
【００４６】
（変形例２）
図５Ａ及び図５Ｂは、本実施形態の別の変形例を示す図であり、図５Ａは正面図、図５Ｂは要部の上面図である。
本変形例は図１Ａの構成と図４の構成の一部を組み合わせたものである。すなわち、変形例１における発電装置２００と類似の構成を有する発電モジュール２００’を、図１Ａと同様の輪状の本体１０の、外周面上に配置する。そして、回転部材２５に一端が巻き付けられたワイヤ２３’が、動物の口の変位による本体１０の径の変化（増大）により回転部材２５から引き出されるように、ワイヤ２３’の他端を本体１０の外周面上に固定する。
【００４７】
具体的には、図５Ａ及び図５Ｂの例では、本体１０の、端部を挟んで発電モジュール２００’と対向する端部１０ｂの外周面上にワイヤガイド２６を設け、ワイヤ２３’をワイヤガイド２６の外周に沿って折り返し、本体１０の端部１０ａの外周面上の所定位置（ここでは発電モジュール２００’内の所定位置）２４に固定している。
【００４８】
ワイヤガイド２６は、ワイヤ２３’が外周面に沿って滑らかに移動可能なように、外周面の少なくともワイヤ２３’が接する部分は曲面で形成されている。ワイヤガイド２６は例えば円柱状のポストのような固定部材であっても良いし、滑車のように、回転可能な部材であってもよい。図５Ａ及び図５Ｂの例では、ワイヤガイド２６が回転可能な部材である場合の例を示している。
【００４９】
なお、ワイヤガイド２６を用いてワイヤ２３’の他端を折り返さず、図１Ａに示したように本体１０の端部１０ｂの先端１３に接続した構成であってもよい。ただし、ワイヤ２３’を折り返すことにより、端部１０ａと１０ｂの相対的な移動量の２倍に相当するワイヤ２３’の移動量を得ることが出来るため、ロータの回転量を増加させることができ、発電効率を高めることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、家畜などの動物が自然に（自主的に）行う行動に伴う運動エネルギーを動力として発電機を動作させるので、動物に特定の行動を強いる必要が無く、また不特定多数の動物を利用して発電することが可能である。
【００５１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、機械電気変換機構として圧電素子を用いることを特徴とする。
図６Ａは、本実施形態に係る発電装置の構成例を示す正面図である。図１Ａに示した第１の実施形態の構成と共通する要素には同じ参照数字を付し、重複する説明は省略する。
【００５２】
図１Ａと図６Ａとの比較からわかるように、本実施形態の発電装置は第１の実施形態と同様に口輪３００の形態を有しており、動物の採食時の口の運動に伴うエネルギーを利用してギア２０を回転させる点において共通している。
【００５３】
本実施形態では、ギア２０の軸に小径のギア２７が取り付けられるとともに、ギア２７の歯の先端と端部がわずかに接触するように片持ち梁に形成された（カンチレバー構造を有する）圧電素子２８を有し、発電機４２を備えない点で第１の実施形態と異なる。
【００５４】
周知の通り、圧電素子は圧電体を用いた受動素子であり、圧電体に与えられた応力に応じた電圧を出力する。本実施形態では、片持ち梁に形成した圧電素子２８の可動端を、ギア２０の回転に伴って繰り返し上方あるいは下方に撓ませるための機構として、ギア２０と同軸のギア２７を設けている。圧電素子２８の固定端は、例えばギア２０、ギア２７およびラック１１の部分を覆い、本体１０（例えば端部１０ａ）に固定されるカバー（図示せず）に固定されてよい。このように、本実施形態では、口の変位によりギア２０（ギア２７）を介して間接的に圧電素子２８を変形させる。
【００５５】
ギア２７はその歯の先端で圧電素子２８の可動端に上方または下方への応力を与え、圧電素子２８の撓みが所定の大きさに達すると圧電素子２８の可動端を解放し、撓みのない状態へ戻す。ギア２０の回転に伴ってギア２７の歯が圧電素子２８の可動端への応力付与と解放とを間欠的に繰り返し行うことで、圧電素子２８からギア２０（２７）の回転量に応じた電圧が取り出され、蓄電部６０に蓄電される。圧電素子２８の１回あたりの撓み量はギア２７の歯が圧電素子２８の可動端と（応力を与えずに）接した際の歯と圧電素子との重複領域の大きさによって決まる。撓み量が大きくなるようにギア２７と圧電素子２８との位置関係を決定すると、ギア２７（ギア２０）を回転させるために必要なトルクが大きくなること、圧電素子２８の弾性限界を超える撓み量を与えると圧電素子２８が破損することを勘案して適宜定めることができる。
【００５６】
また、圧電素子２８は例えば弾性を有する基材（金属板や樹脂フィルム）の両面に圧電体が取り付けられた構造を有するものであってよい。また、圧電素子２８の厚みや剛性などは、圧電素子２８の自由端が解放されて振動した際に共振するように設定することで、圧電素子２８の変形量を大きくすることができ、発電効率を向上させることができる。
【００５７】
蓄電部６０は圧電素子２８が発生する電圧を整流して蓄電する。整流回路４４は例えば全波ブリッジ整流回路であってよく、蓄電回路４６はキャパシタであってよい。
【００５８】
口輪３００の取り付け方法や、取り付けた動物の口の動きに伴うギア２０の回転動作に関しては第１の実施形態で説明した通りであるため、説明を省略する。本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図６Ａにおいては便宜上、圧電素子２８を１つ用いた構成について説明したが、ギア２０の裏側にも同様のギア２７を設けることで、２つの圧電素子２８を並列に配置することも可能である。また、図６Ａに圧電素子２８’として示すように、固定端を別の位置に取り付けることで、より多くの圧電素子を設けることもできる。
【００５９】
（変形例１）
図６Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る発電装置の変形例を示す図である。図６Ｂに示す発電装置も、圧電素子を用いて発電する点においては図６Ａの構成と共通であるが、他の構成において異なる。
【００６０】
まず、本体１０’は、切れ目のないリング形状を有している。また、ラック１１を有する形態（第１の実施形態（図１Ａ）及び第２の実施形態（図６Ａ））では、口の運動による力が、効率よく端部１０ａ及び１０ｂを移動させるよう、本体１０は金属など比較的剛性および弾性の高い素材で形成されていた。一方、本変形例では、口の運動による力で、本体１０’に両端部を固定された圧電素子２８を直接的に撓ませる構成であるため、ゴム状の材質のように撓んだり延びたりする材質で本体１０を形成する。
【００６１】
また、圧電素子２８は、片持ち梁に形成されるのではなく、両端をワイヤ状の取り付け部材２９で本体１０’に固定され、かつ本体１０’の外周に複数配置される。なお、本体１０’の撓みが圧電素子２８に効率よく伝達されるよう、取り付け部材２９には引っ張り剛性の高い素材を用いる。図６Ｂの例では、本体１０’の外周全体にわたって圧電素子２８が設けられた例を示している（点線は圧電素子２８が同様に配置されていることを示す）が、例えば上あごの上面と下あごの下面に接する部分にのみ圧電素子２８を配置するなど、必ずしも全周にわたって圧電素子２８を取り付ける必要はない。
【００６２】
なお、蓄電部６０は図２Ａにおける発電モジュール４０のように、本体１０’の一部を拡張した領域に配置しても良いし、本体とは別にハーネスの所定位置に取り付けてもよい。
【００６３】
第１の実施形態と同様、中空部５から口が出るように口輪３００を取り付ける。動物（例えば牛が口を開けると、図６Ｃに示すように、口の動きによって本体１０’及び圧電素子２８が変形し、圧電素子２８から電圧が発生する。なお、圧電素子２８の変形は撓みだけでなく延びであってもよいことは言うまでもない。本変形例によっても、第１及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
（変形例２）
本実施形態の構成においても、第１の実施形態の変形例１（図４）と同様の構成を適用することができる。
【００６５】
（他の実施形態）
上述の実施形態では、採食時の口の動きや首の動きを動力として発電する構成を説明したが、例えば呼吸に伴う腹や胸の運動を動力とする場合、例えば輪上の本体１０や１０’を動物の胴回りに取り付けることにより、同様の効果が期待できる。
また、図４に示した構成において、ワイヤ２３の他端を首以外の部位、例えば足や尻尾など他の部位に取り付けても同様の効果が期待できる。
【００６６】
なお、上述の実施形態においては、機械電気変換機構としてダイナモ、オルタネータ、圧電素子などを例示したが、他の周知の機械電気変換機構を用いることが可能であることは言うまでもない。例えば、エレクトレット発電機を機械電気変換機構として用い、動物の部位の移動、回転といった機械的な変位で、エレクトレット電極又は対向電極を移動させるように構成してもよい。
例えば、第１の実施形態の構成において、エレクトレット発電機の一方の電極を端部１０ａ側に取り付け、他方の電極を端部１０ｂ側に取り付けることにより、電極を相対的に双方向に移動させて発電することができる。
【００６７】
あるいは、第２の実施形態の構成において、圧電素子２８の代わりに、エレクトレット発電機モジュール（振動発電機モジュール）を用いる構成としてもよい。例えば、図２Ａにおいて、金属片のような弾性板上にエレクトレット半電気モジュールを配置した素子を圧電素子２８と同様に片持ち梁状に支持し、可動端にギア２７で上方または下方への応力を与えて弾くことで、振動発電機モジュールを振動させる。振動発電機モジュールの出力は圧電素子２８の出力と同様、整流回路４４に入力すればよい。振動発電機モジュールには適した振動数があるため、振動発電機モジュールの配置位置や弾性板の剛性、長さなどを調整し、振動発電機モジュールが適切な振動数で振動するように構成することが望ましい。
【００６８】
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
【００６９】
本願は、２０１０年４月１６日提出の日本国特許出願特願２０１０−０９５２３１を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。
【図１Ａ】
2011129121.tif 000003
【図１Ｂ】
2011129121.tif 000004
【図１Ｃ】
2011129121.tif 000005
【図２Ａ】
2011129121.tif 000006
【図２Ｂ】
2011129121.tif 000007
【図３Ａ】
2011129121.tif 000008
【図３Ｂ】
2011129121.tif 000009
【図４】
2011129121.tif 000010
【図５Ａ】
2011129121.tif 000011
【図５Ｂ】
2011129121.tif 000012
【図６Ａ】
2011129121.tif 000013
【図６Ｂ】
2011129121.tif 000014
【図６Ｃ】
2011129121.tif 000015
【国際調査報告】
2011129121.tif 000016
2011129121.tif 000017
2011129121.tif 000018
2011129121.tif 000019
2011129121.tif 000020